Что такое diffuse map
3d_shka
3d_shkaМодели 3D, Poser, 3DsMax, Archicad, Artcam, Zbrush
ДНЕВНИК ПРОРОКА МАНЬКИНА
Введение в текстурные карты
Это руководство даёт базовой понимание назначения и особенностей некоторых типов текстурных карт.
Diffuse map (основной / диффузный цвет)
Слот в 3DS Max: Diffuse color.
Технически эта карта представляет собой диффузное отражение и цвет поверхности объекта. Простыми словами – это базовый цвет объекта. Эта карта используется в качестве основной текстуры объекта.
Пример диффузной карты.
Specular map (карта зеркальности)
Слот в 3DS Max: Specular color.
Карта передаёт интенсивность и цвет бликов на поверхности объекта. Другими словами, она определяет «глянцевость» и цвет световых отражений.
Пример бликов на объектах в реальной жизни. Эти белые пятна света на помидорах – не что иное, как блики.
Пример бликов на фасаде здания. Обратите внимание, что в зависимости от уровня серого интенсивность бликов меняется. Особенно это заметно при перемещении освещения над поверхностью различных «материалов».
Для демонстрации работы карт бликов я применил к этому цилиндру карты бликов с различными уровнями серого, от черного, до белого, и простую диффузную карту. Более светлые области дают сильные блики, более тёмные области слегка отсвечивают, а чёрная область вообще не даёт бликов.
В карте бликов вашего объекта глянцевые материалы должны быть белыми или светло-серыми, матовые материалы – чёрный или тёмно-серый. Обратите внимание, что использование цветов в карте бликов, даёт эффект цветового тонирования. Это полезно для некоторых материалов, таких как автомобильная краска, золото или бронза.
Материалы, которые должны быть окрашены в белый цвет (глянцевые):
Материалы, которые должны быть окрашены средним уровнем серого цвета (средний уровень бликов):
Материалы, которые должны быть окрашены в тёмно-серый или черный цвет (матовые):
Реалистичные карты бликов основываются на физических свойствах материалов.
Reflection map (карта отражений)
Слот в 3DS Max: Reflection.
По принципу своего действия, карты отражения похожи на карты бликов. Уровень отражения зависит от яркости карты, и аналогичным же образом, карта работает с цветами. Цветная карта отражений будет полезной в случае тонированных стёкол.
Материалы, которые должны быть окрашены белым (зеркальные отражения):
Материалы, которые должны быть окрашены в серый цвет (от высоко до умеренно отражающих):
*Если имеющиеся в вашем распоряжении текстуры окон достаточно хороши, я рекомендую использовать средние уровни серого для карты отражения – в этом случае отражения не будут полностью скрывать диффузную текстуру.
Материалы, которые следует окрашивать чёрным (не отражающие):
Реалистичные карты отражений основываются на физических свойствах материалов.
Отражения на окнах.
Self illumination map (карты самосвечения)
Слот в 3DS Max: Self-Illumination.
Эта карта позволяет задать свечение различных частей объекта, например, освещённых окон в ночное время. Карта самосвечения, смешиваясь с диффузной картой, оказывает влияние на диффузный базовый цвет. Если окна на диффузной карте будут иметь в основном синий оттенок, а карта самосвечения, наложенная на них, будет жёлтого оттенка, то получившееся свечение будет зеленоватым.
Так работает карта самосвечения.
Пример карты самосвечения.
Normal map (карта нормалей)
Слот в 3DS Max: Bump.
Карты нормалей (как и карты рельефности, bump map) используются для имитации неровностей и повышения детализации поверхности без увеличения количества полигонов.
Этот вид карт довольно сложно создать вручную. Сделать это можно в 3DS Max, но для того, чтобы получить достойные результаты, нужен некоторый опыт. Нашим выбором будет использование средств, предоставляемых NVIDIA – бесплатный плагин для Photoshop NVIDIA Texture Tools. Есть также некоторые другие программные средства, такие как Crazybump или Pixplant2, но плагин от NVIDIA бесплатен и даёт лучшие результаты.
Шаги по созданию простой и реалистичной карты нормалей
Обесцветьте изображение и маскируйте весь объект и те области, для которых не требуется эффект неровности, например, стекло или любая другая гладкая поверхность. Используйте белый или светло-серый цвет для деталей, которые должны иметь рельеф, по сравнению с окружающими областями.
Используйте фильтр NVIDIA Normal Map в Photoshop чтобы конвертировать отредактированную текстуру в карту нормалей.
Используйте 3D Preview и поиграйте значением масштаба (Scale), чтобы получить требуемый эффект. Я рекомендую деактивировать параметр «animate light». Не забудьте закрыть окно 3D Preview, иначе фильтр не применится.
Подготовка диффузной карты к конвертации в карту нормалей необходима для получения хорошего результата. Иногда карта нормалей так же нуждается в редактировании, для изменения некоторых деталей. Если не маскировать гладкие поверхности, то результатом будет некрасиво неровная карта нормалей.
Opacity Map (карта прозрачности)
Слот в 3DS Max: Opacity.
Название карты говорит само за себя: она определяет области прозрачности и непрозрачности объектов. Это чёрно-белое (или с оттенками серого) изображение, белые области которого представляют собой полностью непрозрачные зоны, а чёрные – полностью прозрачные. Эти карты весьма полезны при создании перил, решёток и тому подобных объектов.
Пример ограждения, сделанного с помощью карты прозрачности, применённой к простой плоскости.
Что такое PBR? Часть V
Ранее в блоге.
Часть I — кратко затронул историю становления термина PBR и вывел главный тезис. PBR это не шейдер и не текстура или какой-то отдельно взятый рендер движок — это в первую очередь принципы и основы современной компьютерной графики, кто-то называет это философией.
Часть II — была посвящена такому понятию как PBS — Физически корректный шейдинг, как неотделимая часть физически корректного рендеринга. Кратко рассмотрел, что такое BRDF функции.
Часть III Реализация GTR (GGX) функции в V-ray. Альтернативные, физически корректные, BRDF модели. Аналитические BRDF модели (Merl библиотека). Коммерческие BRDF решения — VRscans (VrayScanedMtl)
Часть IV.I — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray
Часть IV.II — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray
Часть IV.III — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray
Часть V — PBR текстуры (Заключительная часть цикла)
Финал
Финальная статья цикла, будет посвящена PBR текстурам. Сразу определю — PBR или «не PBR» текстур не бывает. Бывают текстуры отвечающие или не отвечающие PBR принципам.
Изначально, была идея написать статью исключительно о PBR текстурах. Она возникла после того, как я прикупил сборник как бы PBR текстур от CGAxis — не покупайте и даже не качайте с торентов этот сборник, если вам действительно нужны PBR текстуры.
Про этот сборник с большой натяжкой можно сказать, что его содержимое отвечает всем PBR принципам. По факту этот сборник откровенный «шлак», на который, в маркетинговых целях, налепили трендовую аббревиатуру «PBR».
PBR текстуры
Любой шейдер способен описать большинство свойств поверхности чистой математикой через BxDF функции. Но не всегда поверхность объекта имеет однородный диффузный или зеркальный цвет, не всегда объект может иметь ровную поверхность. В таких ситуациях на помощь приходят растровые текстуры, через которые можно усложнять шейдер, делая его визуально более реалистичным. Согласитесь что локальным цветом или процедурной текстурой не всегда можно получить удовлетворительный результат.
Через растровую текстуру можно задать не только сложный диффузный цвет поверхности, но и «запечь» некоторые её свойства. Использование текстур, в которых «запечены» свойства материала, пришло в массы из игровой индустрии. По сложившейся практике пользователю, предлагается три базовые текстурные карты — Diffuse, Specular\Metalness и Glossy\Roughness, по ситуации, подключают дополнительные технические карты — Opacity, Normal, Height, Ambient occlusion, Cavity, Emissive maps. Классический сет это четыре текстуры: Diffuse, Specular\Metalness и Glossy\Roughness, Normal
Важным недостатком так называемых «PBR текстур» является отсутствие гибкости. Так например — карта Glossy\Roughness предлагает мне уже зафиксированные значение шероховатости поверхности. А что если мне нужно сделать больше глянца, как быть? Понятно что мне, как пользователю с опытом, не составляет труда «подкрутить» все эти карты до нужного результата, а как быть менее опытным коллегам? Поэтому мне не особо понятен тот хайп, который был в свое время поднят вокруг PBR текстур.
PBR текстуры для меня, в первую очередь, это решение все же узкоспециальное, для таких направлений как VR, реал-тайм и игровые движки, где нужно максимально упростить и унифицировать шейдерные вычисления, когда текстуры запекаются комплексно для всей модели сразу. В этом контексте — PBR текстуры это простое и универсальное решение, своего рода кроссплатформенный набор «Сделай сам».
3d модель, шейдер которой сделан с соблюдением PBR принципов, будет рендериться, в любой современной рендер системе, без необходимости конвертировать материалы или что либо в них перенастраивать. Особенно если часть свойств шейдера, было зафиксировано (запечено) в текстурах, о которых я говорил выше. Это важное и ценное качество для 3d модели, особенно когда вы продаете её на стоке [Посмотреть стрим о 3D стоках]. Покупатель будет понимать, что купив ваш продукт, он получит универсальное шейдерное решение, которое будет давать одинаковый результат при рендеринге в независимости от используемой рендер системы.
Есть два шейдерных решения так или иначе поддерживаемых в большинстве рендер движков — Specular workflow и Metalness workflow. Эти решения отличаются набором необходимых текстур и соответственно слотами размещения. Итоговая разница не существенна, но заметна в ряде деталей. Забегая вперед сразу скажу, что Metalness workflow более удобен, более экономичен в расходовании видеопамяти (актуально для игровых движков), прост и поэтому стал теперь доминирующим рабочим пространством.
Specular workflow
Как сказал ранее, практически все свойства шейдеров, можно запечь в текстуру, но в этом нет необходимости, так как большинстве рендер систем многие свойства, задаются программно. Так, например, нет необходимости запекать индекс рефракции (IOR), поскольку его можно задать напрямую в шейдере. Поэтому запекается, только ограниченный, комплект текстур.
Для Specular workflow используется базовый сет из следующих растровых карт
Metalness workflow
Для Metalness workflow используется базовый сет из следующих растровых карт
В чем разница этих решений?
Очевидно, что некоторые текстуры подключаются к разным слотам шейдера и в принципе отличаются по содержанию. Разница между Glossy\Roughness картами небольшая: Glossy map это инвертированная Roughness map, переключение между режимами Glossy\Roughness поддерживается не во всех движках, но в любом случае адаптировать эту карту под нужный режим не составит труда при помощи Photoshop. Карта нормалей (Normal Map) не меняется в обоих решениях. Принципиальное отличие только в двух текстурах Diffuse и Specular\Metalness.
Для рабочего процесса Specular workflow — диффузная карта «закрашивается» черным в тех местах, где поверхность должна проявлять «металличность», там же, где поверхность является диэлектриком, задается необходимый цвет. Через текстурную карту Specular задается степень зеркальности объекта для диэлектрических участков через оттенок серого, а для металлических участков через необходимый цвет металла.
У рабочего процесса Metalness workflow— диффузная карта полностью цветная, как для металлических участков шейдера, так и на участках с диэлектрическими свойствами поверхности. Через черно-белую текстурную карту Metalness мы «сообщаем» рендер движку, где метал, где диэлектрик. По сути карта Metalness выполняет функции маски, а вся необходимая информация «снимается» с карты Diffuse.
Считается что Metalness workflow экономичней в контексте расходования видеопамяти, так как черно белая маска практически ничего «не весит». Я сравнил два сета и действительно сет для Metalness workflow на 20% легче сета Specular workflow.
Недостатки и тонкости работы с Metalness и Specular workflow
Я не буду перетряхивать все рендер движки, на предмет того, как у них организовано подключение так называемых PBR текстур и ограничусь только V-ray.
Классическая схема подключения текстур в Specular workflow
Недостатком этой схемы является то, что она предполагает полное отключение опции IOR, что фактически делает это решение физически некорректным, но…
Некоторые ресурсы предлагают адаптированный к V-ray сет для Specular workflow. В этом сете есть дополнительная IOR карта, которую нужно подключать к слоту Fresnel IOR и так же немного измененная по цвету Specular карта. Такое решение делает шейдер более корректным и отвечающим принципам PBR.
Хотя визуальная разница между этими двумя решениями будет едва ли заметна неискушенному пользователю.
Для подключения текстурных карт в режиме Metalness workflow, необходимо на вкладке BRDF переключиться в режим Use Roughness
Здесь тоже, всё не «слава богу», но получше чем у Specular workflow. Работа со множителем IOR в этом режиме возможна и я могу установить необходимое по ситуации значение, без использования дополнительных текстурных карт. Но, как мне «посчастливилось» выяснить, комплексное значение IOR у металлов значительно ниже чем у диэлектриков. И в примере который я сейчас разбираю, так же есть необходимость подключения дополнительной карты с разными значениями IOR для металла и для окислившейся поверхности (диэлектрика).
В связи с этим фактом, что у металлов есть комплексное значение IOR, которое хоть и не значительно, но влияет на результат, для Вас готовится отдельная статья по металлам, где я обновлю свое мнение и добавлю новую информацию по настройке металлов в V-Ray Next.
В статье Understanding metalness вы можете найти табличку, скриншот которой представлен ниже, Vlado (папа V-ray) вычислил комплексные значения IOR для ряда металлов которые можно\нужно использовать в совместно со включенной опцией Metalness.
Эти значения, в большинстве случаев, чуть больше единицы. Но как раз из-за этого что IOR метала значительно ниже значений у неметаллов, то имеет смысл заморочиться над этой разницей, для достижения максимальной реалистичности и физической корректности шейдинга в режиме Metalness workflow.
Поскольку карта с необходимым значением IOR, к этому сету не прилагалась, я сделал кастомное решение используя ноду Mix и карту Metalness в качестве маски для разных значений IOR. Значения для IOR я поставил следующие:
IOR 1.05 = 0.9524 RGB для металлической поверхности (среднее значение из таблицы Vlado)
IOR 1.5 = 0.6666 RGB для окиси на поверхности металла (диэлектрик)
После всех тестов, я отдаю свое предпочтение схеме — Metalness workflow + IOR map, так как она наиболее близка к физически корректном решению. Но и другие схемы вполне рабочие, разница будет заметна только на мелких деталях, да и то, только на композитных материалах, которые я выбрал для обзора, где одновременно используется два типа материала — метал и диэлектрик. В простых, однородных, материалах эти нюансы будут менее всего заметны.
Так же сделал рендеры с контрастной световой схемой, что бы сравнить все четыре схемы с оригинальным превью, эксперимент не удался…
Тут сложно дать однозначный и объективный комментарий и сделать какое то сравнение, так как у меня нет возможности задействовать HDRi карту, которая использовалось для рендеринга оригинального превью у шейдера. Так что «ноу комментс…» Оригинал поярче, но не факт что у превью не «подкручивали» цветность.
Что еще нужно знать при работе с так называемым PBR текстурами?
Та информация, которую я прояснил, в процессе работы с материалами к этой статье, стала откровением… Всю свою сознательную трудовую жизнь, когда уже многие начали работать в гамме 2.2 и я в том числе, все текстуры по умолчанию подгружались в этой гамме. Единственной картой, которая нуждалась в корректировке была карта нормалей (Normal Map) её нужно было подгружать в линейной гамме — 1.0
Когда я более подробно стал изучать PBR тему и работу с текстурами в частности, я был удивлен, когда узнал что и остальные текстуры, кроме Specular и Diffuse, необходимо было подгружать в линейной гамме.
Почему так?
Это связано с тем что все черно-белые текстуры, если грубо, участвуют в математических вычислениях. Так например в карте Metlaness, черный пиксель означает 0, белый пиксель означает 1. Математика это линейные вычисления, поэтому шейдерные вычисления так же происходят в линейном пространстве и только два шейдерных компонента — Specular и Diffuse должны быть в представлены гамме 2.2 поскольку это визуальные составляющие и их обработка происходит в нелинейном пространстве.
Specular workflows
Metalness workflow
Это правило, распространяется и на все другие шейдерные компоненты, которые реализуются через черно-белые растровые текстуры — они все должны подгружаться в гамме 1.0 не зависимо от того используете ли вы текстуры из PBR сборников или делаете что-то свое.
PS Надеюсь что мои изыскания были не напрасны и принесут кому то пользу… во всяком случае у меня, в процессе работы над этим материалом, появилось много новых решений и вообще тема шейдинга стала достаточно прозрачной и понятной. Буду рад фидбеку и пожеланиям. Возможно я что то пропустил, дайте знать, и я просто дополню или уточню эти статьи необходимой информацией.
Яндекс.Дзен | ВКонтакте | YouTube | Instagram
Learn OpenGL. Часть 2.4. — Текстурные карты
Ранее мы обсуждали возможность каждого объекта иметь уникальный материал, чтобы по-разному реагировать на свет. Это отлично подходит для того, чтобы придать каждому объекту уникальный вид относительно других объектов на сцене. Но этого все еще не дает нам большой гибкости в настройке внешнего вида объекта.
Текстурные карты
В предыдущем уроке мы определили материал для целого объекта, но в реальном мире объекты обычно состоят не из одного, а из нескольких материалов. Представьте себе машину: ее внешний корпус блестящий; окна частично отражают окружающую среду; у машины также есть матовые покрышки, а еще есть сверкающие обода (сверкающие, если вы хорошо моете свою машину). Так вот, каждый объект имеет разные свойства материала для каждой своей части.
Итак, наша система материалов из предыдущего урока не подходит для более или менее сложных объектов, по этому нам нужно расширить ее, введя диффузную и бликовую карты. Это даст нам возможность влиять на диффузный (и, косвенным образом, на фоновый, так как это почти всегда одно и то же) и бликовый компоненты объекта с большей точностью.
Диффузные карты
Все, что нам нужно — это способ установить диффузный цвет для каждого фрагмента объекта. Что может повлиять на значение цвета, основываясь на позиции фрагмента?
Припоминаете? Это — текстуры, которые мы интенсивно обсуждали в одном из предыдущих уроков. Карты освещения – всего лишь другое название того же принципа: используя изображение, нанесенное на поверхность объекта, мы можем делать выборки цвета для каждого фрагмента. В сценах с освещением это обычно называется диффузной картой (как правило ее так называют 3D художники), так как текстурное изображение представляет все диффузные цвета объекта.
Для демонстрации диффузных карт мы будем использовать изображение деревянного контейнера с железной рамкой:
Имейте в виду, что sampler2D это, так называемый, непрозрачный тип данных. Это значит, что мы не можем создать экземпляр такого типа, мы можем только определить его как uniform. Если мы попытаемся использовать этот тип не как uniform (например как параметр функции), то GLSL выведет странные ошибки. Это правило также распространяется и на любую структуру, которая содержит непрозрачный тип.
Обратите внимание, что нам снова нужны текстурные координаты во фрагментном шейдере, по этому мы объявляем дополнительную входящую переменную. Затем мы просто делаем выборку из текстуры, чтобы извлечь значение диффузного цвета фрагмента:
Также не забудьте установить фоновый цвет материала таким же, как и диффузный:
Это все, что нам нужно для использования диффузной карты. Как вы могли заметить, в этом нет ничего нового, но это дает впечатляющий рост визуального качества. Чтобы это заработало, нам нужно добавить текстурные координаты к данным вершин и передать их в качестве вершинного атрибута во фрагментный шейдер, загрузить текстуру и связать ее с соответствующим текстурным блоком.
Обновленные вершинные данные можно найти здесь. Теперь они включают в себя позиции вершин, векторы нормалей и текстурные координаты для каждой вершины куба. Давайте обновим вершинный шейдер, чтобы он мог принимать текстурные координаты, как вершинный атрибут и передавать их во фрагментный шейдер:
Удостоверьтесь, что обновили вершинные атрибуты обоих VAO (прим. переводчика: имеются ввиду VAO текстурированного куба и VAO куба-лампы), так чтобы они совпадали с новыми вершинными данными, и загрузили изображение контейнера в текстуру. Перед тем, как нарисовать контейнер нам нужно присвоить переменной material.diffuse предпочтительный текстурный блок и связать с ним текстуру контейнера:
Используя диффузную карту, мы снова получили огромный прирост детализации и теперь, с добавленным освещением, наш контейнер действительно начал блистать (в буквальном смысле). Вероятно, теперь он выглядит вот так:
Вы можете найти полный исходный код приложения здесь.
Бликовые карты
Мы снова можем воспользоваться текстурной картой, только теперь для зеркальных бликов. Это значит, что нам нужно создать черно-белую (или цветную, если хотите) текстуру, которая определит силу блеска каждой части объекта. Вот пример бликовой карты:
Так как контейнер большей частью состоит из дерева, а дерево — это материал, который не дает бликов, то вся «деревянная» часть текстуры закрашена черным. Черные части вообще не блестят. Поверхность стальной рамки контейнера имеет переменную силу зеркального блеска: сама сталь дает довольно интенсивные блики, в то время как трещины и потертости – нет.
Технически, дерево тоже имеет зеркальные отражения, хотя и с намного более низкой силой блеска (свет сильнее рассеивается), но в образовательных целях, мы сделаем вид, что дерево никак не реагирует на зеркальный свет.
Используя инструменты, такие как Photoshop или Gimp, довольно просто превратить диффузную текстуру в бликовую. Достаточно просто вырезать некоторые части, сделать изображение черно-белым и увеличить яркость/контрастность.
Сэмплинг бликовых карт
Карта зеркальных отражений — это самая обычная текстура, по этому код ее загрузки очень похож на загрузку диффузной карты. Удостоверьтесь, что вы правильно загрузили изображение и сгенерировали текстурный объект. Так как мы используем новую текстуру в том же фрагментом шейдере, нам нужно использовать другой текстурный блок для карты бликов. Давайте свяжем эту текстуру с соответствующим текстурным блоком перед визуализацией:
И, наконец, нам нужно провести выборку карты бликов, чтобы получить соответствующую интенсивность блика для каждого фрагмента объекта:
Используя карту бликов, мы можем с чрезвычайной точностью определить, какие части объекта дают зеркальные блики, и установить соответствующую их интенсивность. Таким образом, карта бликов дает нам дополнительный уровень контроля поверх диффузной карты.
Вы также можете использовать в бликовой карте цвета, которые определяют не только интенсивность блика, но и его цвет. Однако в реальности, цвет блика в значительной степени (а в большинстве случаев и полностью) зависит от источника света, поэтому использование цветных карт бликов не даст реалистичных результатов (вот почему эти изображения обычно черно-белые — нас интересует только интенсивность блика).
Если вы запустите приложение, то увидите, что материал контейнера очень похож, на деревянный контейнер с железной рамкой:
Вы можете найти полный исходный код приложения здесь.
Используя диффузные и бликовые карты, мы можем добавить огромное количество деталей в относительно простые объекты. Мы можем добавить еще больше деталей, используя другие текстурные карты, такие как карты нормалей/рельефа и/или карты отражений, но их мы прибережем для следующих уроков. Покажите ваш контейнер друзьям и семье и помните, что однажды наш контейнер может стать еще более привлекательным, чем сейчас!